藍(lán)光光纖激光器最新發(fā)展戴世勛，張軍杰，徐時(shí)清，汪國(guó)年，楊建虎，姜中宏 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所摘要:近年來(lái)，藍(lán)光光纖激光器作為一種新型的藍(lán)光光源發(fā)展非常迅速。本文首先簡(jiǎn)單介紹了其工作原理，然后綜述了其發(fā)展歷程、性能及應(yīng)用情況。 I*S`I|{J  
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關(guān)鍵詞:藍(lán)光，光纖激光器，上轉(zhuǎn)換 #*$@_  
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一、 前言 　　 7QiCZcb\  
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藍(lán)光波段激光在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、海底通信、大屏幕顯示 (需要藍(lán)綠光構(gòu)造全色顯示)、檢測(cè)、生命科學(xué)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前商業(yè)化的固體激光器激光波長(zhǎng)主要在近紅外和紅外波段。在固體激光器中欲獲得藍(lán)色激光輸出，主要有以下三種方法： 3@`H<tP'6o  
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（1）利用寬禁帶半導(dǎo)體材料直接制作藍(lán)光波段的半導(dǎo)體激光器； rL sK-qQ  
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（2）利用非線性頻率變換技術(shù)對(duì)固體激光進(jìn)行倍頻； G0 /vn9&  
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（3）利用上轉(zhuǎn)換技術(shù)在摻稀土的晶體、玻璃或光纖中實(shí)現(xiàn)藍(lán)激光輸出。對(duì)于可見(jiàn)波段的半導(dǎo)體激光二極管(LD)，藍(lán)光LD的研制需要昂貴的設(shè)備和襯底材料，同時(shí)LD的光束質(zhì)量不盡人意，在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制。由LD泵浦的倍頻固體激光器，需要非線性晶體材料進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，雖然光束質(zhì)量很好，輸出功率也很高，但系統(tǒng)較復(fù)雜。近年來(lái)，人們利用發(fā)光學(xué)中的頻率上轉(zhuǎn)換機(jī)制，大力發(fā)展具有藍(lán)綠光輸出上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，所采用的泵浦源一般為近紅外高功率半導(dǎo)體激光器。另外，與稀土摻雜的玻璃和晶體相比，光纖具有輸出波長(zhǎng)多、可調(diào)諧范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。利用上轉(zhuǎn)換光纖制作的光纖激光器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。近兩年來(lái)，國(guó)外對(duì)藍(lán)光上轉(zhuǎn)換光纖激光器研究很活躍，并且其商業(yè)化進(jìn)程也相當(dāng)迅速。 3|+f si)x  
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二、工作原理藍(lán)光光纖激光器是利用稀土離子上轉(zhuǎn)換的發(fā)光機(jī)理，即采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的激發(fā)光照射摻雜的稀土離子的樣品時(shí)，發(fā)射出波長(zhǎng)小于激發(fā)光波長(zhǎng)的光。稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制一般可以分為激發(fā)態(tài)吸收、能量轉(zhuǎn)移和光子雪崩三種過(guò)程，具體情況可以參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。藍(lán)光上轉(zhuǎn)換光纖的輸出波長(zhǎng)一般在450～490nm之間，目前能獲得藍(lán)光輸出稀土離子主要有Tm3+,Pr3+兩種，但大多數(shù)情況下，為了提高泵浦吸收效率和上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率，往往采用將Tm3＋或者Pr3+離子與Yb3+離子共摻的方式，通過(guò)Yb3+離子的敏化作用，利用多聲子吸收的原理獲得高效的上轉(zhuǎn)換發(fā)光效應(yīng)，Tm3＋/Yb3+共摻和Pr3+/Yb3+共摻這兩種方式的上轉(zhuǎn)換光纖激光目前報(bào)道的最多。 &f<1=2dm  
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三、研究歷程頻率上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象最早是在石英介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的，但由于其上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率低下，且在低溫下工作而未引起研究人員的注意。首次獲得上轉(zhuǎn)換激光輸出是在1971年，當(dāng)時(shí)是由Johnson和Guggenheim[2]在低溫下采用氙燈泵浦Ho3＋/Yb3+共摻和Er3+/Yb3+的共摻的BaY2F8晶體分別獲得了551nm和670nm上轉(zhuǎn)換激光輸出。八十年代末九十年代初期，當(dāng)時(shí)因?yàn)榘l(fā)展長(zhǎng)波段通訊曾努力開(kāi)發(fā)氟化物玻璃光纖，雖然長(zhǎng)波通訊并未成功，稀土摻雜的ZBLAN光纖作上轉(zhuǎn)換增益介質(zhì)，卻得到很多有意義的上轉(zhuǎn)換激光結(jié)果。ZBLAN光纖中摻雜的稀土離子主要有Pr3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等，其中摻Pr3+或者Pr3+/Yb3+共摻ZBLAN光纖的上轉(zhuǎn)換激光輸出在當(dāng)時(shí)報(bào)道最多，這是因?yàn)镻r3+離子在上轉(zhuǎn)換泵浦機(jī)理下可以產(chǎn)生藍(lán)、綠、橙黃、紅的多種波段的可見(jiàn)光。1989年Allain等[3]報(bào)道了在77K低溫下采用647nm和676nm泵浦Tm3+：ZBLAN光纖中獲得455和480nm上轉(zhuǎn)換激光輸出，這是首次利用上轉(zhuǎn)換原理在氟化物光纖中獲得了可見(jiàn)波段的激光輸出。從此以后室溫下的上轉(zhuǎn)換光纖激光輸出報(bào)道相繼增多，并且光纖的基質(zhì)材料研究多集中在氟化物玻璃的ZBLAN系統(tǒng)上。氟化物玻璃體系之所以成為人們青睞的上轉(zhuǎn)換發(fā)光基質(zhì)材料，是因?yàn)榫哂休^低的聲子能量，低的聲子能量能降低玻璃在泵浦過(guò)程中無(wú)輻射馳豫的幾率，提高稀土離子中間亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的熒光壽命，從而有效提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光的效率。但氟化物玻璃較差的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的機(jī)械強(qiáng)度為其實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定困難。第一次藍(lán)光上轉(zhuǎn)換光纖激光輸出報(bào)道是在1991年，R.G.Smart等人[4]用兩臺(tái)鈦寶石激光器同時(shí)泵浦Pr3+:ZALAN光纖，在491nm得到了1mW的激光器輸出。研究者發(fā)現(xiàn)在單摻雜Pr3+離子的情況下，藍(lán)光輸出功率往往不高。為了提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率，90年代中期以后，研究者在摻稀土離子（主要是以Pr3+和Tm3+為主）的同時(shí)共摻Y(jié)b3+作為敏化劑，這樣有效地提高了對(duì)泵浦光的吸收效率，而且Yb3+離子較寬的吸收帶有利于對(duì)泵浦源有較大的選擇余地。表1給出了90年代期間藍(lán)光光纖激光器的激光輸出情況[4-11]。其中，1997年德國(guó)Hamburg大學(xué)Zellmer等人在Pr3+/Yb3+：ZBLAN光纖中獲得了375mW的480nm激光輸出，這是迄今報(bào)道的最高功率的藍(lán)光光纖激光輸出。九十年代末，包層泵浦技術(shù)的發(fā)展為上轉(zhuǎn)換光纖激光器的研究提供了新的契機(jī)。通過(guò)包層泵浦技術(shù)可以將泵浦光入纖的耦合效率，從一般的30～50％提高到80％以上，耦合效率的提高增大了上轉(zhuǎn)換藍(lán)綠光的輸出功率。目前包層泵浦上轉(zhuǎn)換光纖激光器的研究工作已成為國(guó)際上的最新研究熱點(diǎn)，它在常規(guī)光纖激光器研究工作的基礎(chǔ)上，利用頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)大大擴(kuò)展了激光器的頻率范圍，可獲得近紅外光、可見(jiàn)光乃至更短波長(zhǎng)的激光輸出。尤其是頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)目前正應(yīng)用到極缺藍(lán)和綠激光波段。2002年 Zellmer等人[13]用850nm的LD泵浦包層Pr3+/Yb3+:ZBLAN光纖，獲得了2.06W的635nm紅光輸出，斜率效率為45%，光束質(zhì)量M2<10,另外，在520nm綠光波段也獲得了340mW激光輸出。近兩年來(lái)國(guó)外許多科研院所紛紛加大了對(duì)應(yīng)用于藍(lán)光波段的上轉(zhuǎn)換光纖的研究力度。上轉(zhuǎn)換光纖激光器研究領(lǐng)域目前處于領(lǐng)先地位的是德國(guó)，其中德國(guó)以Laser Zentrum Hannover研究所為主要代表單位。除此之外，國(guó)外一些商業(yè)機(jī)構(gòu)也對(duì)藍(lán)綠上轉(zhuǎn)換玻璃光纖激光器投入了極大的熱情，如法國(guó)的Alcatel公司、英國(guó)的電信公司、美國(guó)SDL公司、和美國(guó)加州JDS Uniphase公司等。國(guó)內(nèi)部分高等院校和科研機(jī)構(gòu)（如上海光機(jī)所、長(zhǎng)春光機(jī)所、南開(kāi)大學(xué)、北京師范大學(xué)等）曾對(duì)塊狀玻璃中上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理作了不少研究，但未見(jiàn)對(duì)上轉(zhuǎn)換雙包層玻璃光纖的報(bào)道。國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有上轉(zhuǎn)換光纖激光器產(chǎn)品問(wèn)世。三、產(chǎn)業(yè)界發(fā)展情況盡管藍(lán)光光纖激光器研究目前還處于不斷的研究發(fā)展中，但其實(shí)用化已初見(jiàn)倪端，商品化步伐也逐步加快。2003年初德國(guó)Linos公司報(bào)道了世界上第一臺(tái)商用上轉(zhuǎn)換藍(lán)光光纖激光器（型號(hào)為Visible Fiber Lasers），其參數(shù)可以參見(jiàn)表2。據(jù)作者不完全統(tǒng)計(jì)，隨后的一年時(shí)間里至少已相繼有5家廠家藍(lán)光上轉(zhuǎn)換光纖激光器產(chǎn)品問(wèn)世，主要以德國(guó)和美國(guó)企業(yè)為主。表2歸納了這些藍(lán)光光纖激光器的性能參數(shù)及生產(chǎn)廠家（為了和倍頻的藍(lán)光晶體激光器比較，表2中還列出了美國(guó)Blue Sky公司藍(lán)光晶體激光器CHROMALASE 488TM的參數(shù)特性），供讀者參考。目前商品化的藍(lán)光光纖激光器的輸出功率一般在5~10mW左右，光束質(zhì)量參數(shù)M2數(shù)值大小一般在1.2以下，同時(shí)激光器的體積小，噪聲低，功率消耗低，工作壽命長(zhǎng)，制造成本低。藍(lán)光晶體倍頻激光器輸出功率普遍較光纖激光器高（一般在10～25mW之間），光束質(zhì)量方面兩者相當(dāng)。四、用途及前景展望上轉(zhuǎn)換藍(lán)光激光器的目前主要面臨著基于GaN半導(dǎo)體材料的藍(lán)光發(fā)光二極管LED和LD泵浦的倍頻晶體激光器的競(jìng)爭(zhēng)。藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)是以第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)為代表的藍(lán)色發(fā)光二極管。國(guó)內(nèi)外都對(duì)該領(lǐng)域投入了大量的研究，美國(guó)和日本現(xiàn)已掌握生產(chǎn)純藍(lán)和純綠光的氮化鎵基(GaN)材料的生長(zhǎng)工藝。GaN材料具有許多硅基半導(dǎo)體材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫高頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求，其中最重要的物理特點(diǎn)是具有更寬的禁帶，可以發(fā)射波長(zhǎng)比紅光更短的藍(lán)光。與紅色激光和綠色激光不同，藍(lán)色激光存在難以在常溫下發(fā)出高功率光的缺陷。氮化鎵基藍(lán)光LED的出現(xiàn)使全色顯示成為可能。長(zhǎng)期以來(lái)各國(guó)開(kāi)發(fā)出的藍(lán)色激光的功率都偏低，尚不能成為激光顯示器的實(shí)用光源。近期韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院和LG電子公司的科技人員經(jīng)過(guò)3年的聯(lián)合攻關(guān)，終于開(kāi)發(fā)成功波長(zhǎng)為456nm的藍(lán)色激光。這種激光具備了制造藍(lán)色激光顯示器的基本特性，功率為1.7瓦，比2002年在德國(guó)漢堡面世的0.84瓦級(jí)的世界最高功率藍(lán)色激光高出一倍多。據(jù)悉，韓國(guó)LG電子公司目前正著手實(shí)現(xiàn)1.7瓦級(jí)藍(lán)色激光技術(shù)商品化，并已試制出激光電視機(jī)樣機(jī)。LD泵浦的倍頻晶體激光器，其方案多是利用LD泵浦Nd:YAG，通過(guò)鍍膜手段抑制1064nm和1319nm起振，從而獲得Nd3+ 的946nm躍遷的激光譜線，再用KNbO3晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，最終獲得波長(zhǎng)為473nm的藍(lán)色激光輸出。國(guó)內(nèi)在這方面與國(guó)外水平相當(dāng)，中科院物理所近期得研制成功我國(guó)首臺(tái)LD泵浦全固態(tài)瓦級(jí)連續(xù)藍(lán)光(473nm)激光器，獲得了激光器連續(xù)藍(lán)光(473nm)激光單邊輸出超過(guò)1W的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，成為繼德國(guó)和美國(guó)之后第三個(gè)公開(kāi)報(bào)導(dǎo)研制成功LD泵浦全固態(tài)瓦級(jí)連續(xù)藍(lán)光激光器的國(guó)家。由于上轉(zhuǎn)換藍(lán)光光纖激光器所采用的增益光纖一般為氟化物玻璃基質(zhì)，在高功率紅外泵浦光作用下，往往會(huì)在光纖內(nèi)部產(chǎn)生光致變色（photochromic）破壞，造成光纖內(nèi)部損耗逐步加大，在這種情況下很難獲得高功率激光輸出。這樣導(dǎo)致上轉(zhuǎn)換藍(lán)光光纖激光器在需要大功率的藍(lán)光應(yīng)用領(lǐng)域前景受阻。譬如，在激光大屏幕應(yīng)用方面，一般為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的激光大屏幕顯示，紅、藍(lán)、綠三色激光光源的功率一般要求在1W以上，藍(lán)光激光器目前最高的實(shí)驗(yàn)室記錄也不超過(guò)400mW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。當(dāng)然我們也要認(rèn)識(shí)到，LD泵浦的倍頻固體激光器，需要非線性晶體材料進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，雖然光束質(zhì)量很好，輸出功率也很高，但系統(tǒng)較復(fù)雜，造價(jià)高。而同時(shí)藍(lán)光二極管的研制更需要昂貴的設(shè)備和襯底材料，其光束質(zhì)量有時(shí)也不盡人意，目前盡管有較大進(jìn)展，但往往這些核心技術(shù)牢牢被控制在少數(shù)國(guó)外跨國(guó)大公司手中。盡管目前商品化的藍(lán)光光纖激光器輸出功率較低，但它效率高、噪音低、光束質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)、可$&*性強(qiáng)以及體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)使其在其它不需要高功率領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。目前上轉(zhuǎn)換藍(lán)光光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個(gè)方面： 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（1）生物及生命科學(xué)分析； }`N2ZxC0AQ  
（2）共焦顯微技術(shù)； 6